大家听过万有引力和广义相对论，也或许知道量子力学，但是你知道什么是引力子吗？最近南京大学科研团队先生发现了分数量子霍尔效应引粒子。

那么这个引力子它究竟是什么粒子？分数量子混合效应又是什么意思呢？大家好，我是中国科学院物理研究所的研究员罗会仟。今天我们一起来聊一聊凝聚态物质里面的引力子。

物理学家他总是有一个天下大一统的共享，希望咱们宇宙万物的运行规律是可以是极简的模式，简单到或许只需要用一个方程就可以描述。

但问题是描述浩渺无垠的宇宙，它通常是需要用广义相对论，而你描述微观粒子则需要用量子物理学，两者涉及的时间空间、能量尺度都差了N个数量级。那么这意味着广义相对论和量子物理学看似是风牛马不相及哈那要同意是何其困难的事情。

在1939年的时候，量子引力理论的出现了，为大统一的物理学提供了一条可行的思路。那么它其核心的思想就需要存在一个叫做银离子的一个例子。

什么是引力子呢？我们简单和电磁相互作用来做一个对比。我们知道电和磁的相互作用是因为有电磁场的存在，而电磁场的脑洞就会发射这个电磁波光，它就是这一种再普通不过的电磁波。

科学家发现从量子物理的角度，我们去描述电磁相互作用，只需要找到传递能量的那个量子并数数就可以了。这个电磁波的量子就叫做光子。光子它有特定的频率，也就代表着它拥有的这个能量单元是多少。描述电磁相互作用你就数这些能量单元有哪些，有几个，去哪了？看起来是不是特别方便？

爱因斯坦在建立广义相对论之初，它就预言了引力波的存在。他认为引力场对应于时空的几何结构，如果给时空投下一个小石子，它也会造成水波那样向外扩散的这种涟漪，那这个就叫做引力波。量子引力理论告诉我们，正如电磁波能量量子它是光子，那么引力波的能量量子它就是引离子。

银离子的理论看起来很完美，也是其他物理理论的基础。比如超显理论的升级版叫做超模理论，引力子就占据了核心地位。又比如暗物质有可能就是有质量的引力子来组成，但是科学家找了很多年，始终没有在实验上观测到引力子的迹象。

相比之下，引力波早在2016年初就宣布被发现，并很快在2017年就获得了诺贝尔物理学奖。测量引力子的挑战有很多，最主要的原因是它的能量极低，相对于宇宙中那些黑洞、中子星、超新星事件这些能量尺度而言，引力子的能量简直是微不足道。你要探测引力子可能就相当于你在遥远的星球上是去跺跺脚，然后你在地球上你要测量得到，这个难度是远远大于引力波的测量。

但是物理学家除了直接探测粒子本身之外，还有另外一个方案，那就是寻找这个例子的替身发明这个妙招是一群凝聚态物理学家来组成我们物质的固态、液态、玻璃态、凝胶态等等，这些通通都叫做凝聚态。

那么在凝聚态物质里面，有大量的微观粒子存在，至少它是十的23次方量级以上。这些粒子之间它存在许许多多的相互作用，当然主要是电和磁的相互作用。尽管我们可以写出每一个粒子运动的方程，但是我们却没有任何办法去解一个十的23次方以上的方程组。于是物理学家就构造出了一个准粒子的概念，也就是说把一大群例子它简化成了一个例子。

这个例子可以用个更简单的方式来描述，跟光子的思路是一样的。我们描述固体里面这个复杂的相互作用，你只需要数一数这些准离子的分布就可以了。

我们举个例子，原子的热振动可以传递声音和热量，所以能量量子就叫做声子，就是材料内部声波的量子，传递原子磁矩振动的能量量子我们就叫做磁振子，还有以科学家名字命名的这个沃尔分明子、迪拉克分明子、马约拉纳分离子等等。

那么这些例子之所以能够被这么称呼，是因为他们从本质上来看，它就满足基本粒子理论的一个外尔方程、狄拉克方程、马约拉纳方程，对吧？

那么至少从形式上来看是没有区别的，那么讲到这里，你可能就猜到了，我们通常说的各种微观粒子，不管是已知的还是未知的，那么在离散物质里面的准离子，我们都可以想办法去变成他们的替身，对吧？银离子也不例外。

我们在十年前左右，诺贝尔奖获得者霍尔丹，他就提出了分数量子霍效应中可能存在的类似引力子的准离子激发态，也被称为分数量子霍尔效应。

引离子所谓分数量子霍尔效应，就是把一群电子你受限到一个二维的空间里面，比如加在两个半导体之间，在施加强磁场和极低温的情况下，这些电子机体之间库仑相互作用就形成了一系列的新的量子态。

对应的准粒子的电荷，它不再是以原电荷为最小单元，而是分组化的。比如说3分之1的电荷，这个系统的准粒子还有很多种形式，或者就认为其中的一种就和量子引力理论提出的这个引力子特别像，判断一个准粒子是不是另外一种例子的替身。

我们还要给他两个做个体检，类似于我们查身高体重、声纹、指纹等等。我们可以比较两者的质量，自旋电荷还有手性。霍尔丹就认为分数量子霍尔效应的引力子就和量子引力预言的引力子一样，它具有所谓的质询为二且存在的属性这些共同的特征。

这里说的自旋和手信，说的是它的内贬的词句，就像这个自我旋转一样，而且有特定的方向。比如它只符合这个所谓的右手螺旋定制的。

南京大学团队探测到这个引力子是在生化加量子解里面发现的，这个实验挑战难度非常的大，一方面温度要在非常接近绝对零度的10毫克，零下273.14摄氏度左右和10个特斯拉的极强磁场下才有这个效应。

另一方面在测量过程中，你要用到原片正可见光，那么就不可避免的就遇到一个透明窗口这个漏热的问题。而且引离子形式的准粒子能量是极低的，大概在70G赫兹，几乎是非弹性拉曼散射实验的一个极限。但这一系列的挑战最终取得了成功，在各种实验证据来看，它都非常吻合霍尔顿应盐的那个分数。

量子霍尔效应引离子，那么再说明凝聚态物理里面有乾坤，还有更多有趣的准离子尚待发现。但必须说清楚的是啊，这种银离子严格意义上来说是一种几何激发态，而不是真正意义上可以自由存在的例子。

也就是说尽管看起来很像，如果你去查他的身份证编码的话，你还会发现两者的不同。比如说前者除以二维空间，而且仅仅是这个空间尺度下的一个效应。

后者属于三维空间，而且是时间加空间，也就是时空的一个量子化的形式。而且前者它需要一定的能量以上它才会出现。而后者属于极远程的相互作用，因为引力波跨越了遥远的这个宇宙的尺度。

当然这种远离子的替身也有它自身的价值。举例来说，我们借助固体中的一种叫做极化子的准粒子，可以模拟旋转的黑洞。或许我们借助分数量子霍尔效应引力子也能模拟量子引力。理论里面那些没办法做实验的内容毕竟大道至简，天下大同，物理里面有很多基本的原理是相通的。